Нови адитиви побољшавају перформансе литијум-јонских батерија на ниским температурама

Слика 1 је процес синтезе адитива.Углавном, молекуларни ланац јонске течности се калеми на наносферу полиметил метакрилата (ПММА) реакцијом да би се формирала главна структура налик четкици, а затим се структура диспергује у етил ацетату (МА).И нови систем електролита се формира у мешаном растварачу пропилен карбоната (ПЦ).Као што је приказано на слици 2а, проводљивост електролита опада како температура опада, а проводљивост електролита који садржи етил ацетат је много већа од проводљивости електролита који користи само пропилен карбонат као растварач, јер је релативно ниска тачка смрзавања ( -96 ° Ц) и вискозитет (0,36 цп) етил ацетата промовишу брзо кретање литијум јона на ниским температурама.Са слике 2б се може видети да ће се вискозност електролита повећати након додавања пројектованог адитива (ПММА-ИЛ-ТФСИ), али повећање вискозитета не утиче на проводљивост електролита.Занимљиво је да додавање адитива доводи до значајног повећања проводљивости електролита.Ово је због: 1) Јонска течност инхибира очвршћавање електролита на ниским температурама.Ефекат пластификације узрокован присуством јонске течности смањује температуру преласка у стаклену фазу електролитног система (слика 2ц), тако да је провођење јона лакше у условима ниске температуре;2) Структура ПММА микросфере калемљена јонском течношћу може се сматрати „једнојонским проводником“.Додатак адитива у великој мери повећава количину слободно покретних литијум јона у систему електролита, чиме се повећава проводљивост електролита на собној температури као и на ниским температурама.

Слика 1. Синтетички пут за адитиве.

Слика 2. (а) Проводљивост електролита у функцији температуре.(б) Вискозност система електролита на различитим температурама.(ц) ДСЦ анализа.

Након тога, аутори су упоредили електрохемијске перформансе два електролитна система која садрже адитиве и без адитива при различитим условима ниске температуре.Са слике 3 се може видети да после циркулације од 90 циклуса при густини струје од 0,5 Ц, нема значајне разлике у капацитету два електролитна система на 20 °Ц.Како се температура снижава, електролит који садржи адитив показује супериорне перформансе циклуса од електролита без адитива.На 0 °Ц, -20 °Ц и -40 °Ц, капацитет електролита који садржи адитив након циклуса може да достигне 107, 84 и 48 мА/г, значајно већи од капацитета електролита без адитива након циклуса на различитим температуре (односно 94, 40 и 5 мА/г), а куломбичка ефикасност након 90 циклуса електролита који садржи адитив је остала на 99,5%.Слика 4 упоређује перформансе брзине два система на 20 °Ц, -20 °Ц и -40 °Ц. Смањење температуре узрокује смањење капацитета батерије, али након додавања адитива, брзина перформансе батерије су знатно побољшане.На пример, на -20°Ц, батерија која садржи адитив и даље може да достигне капацитет од 38 мА/г при густини струје од 2 Ц, док батерија без адитива не ради исправно на 2 Ц.

Слика 3. Цикличне перформансе и куломбичка ефикасност батерије на различитим температурама: (а, ц) адитиви који садрже електролит;(б, г) електролит без адитива.

Слика 4. Радне перформансе батерије на различитим температурама: (а, б, ц) електролит са адитивима;(д, е, ф) електролит без адитива.

Коначно, аутори су даље истражили основне механизме СЕМ посматрањем и ЕИС тестирањем и разјаснили могуће разлоге за присуство адитива који би омогућили да батерија показује одличне електрохемијске перформансе на ниским температурама: 1) ПММА-ИЛ-ТФСИ структура инхибира очвршћавање електролита и Повећање количине слободно покретних литијум јона у систему чини да се електролит у великој мери повећава на ниским температурама;2) повећање слободно покретних литијум јона успорава ефекат поларизације током пуњења и пражњења, чиме се формира стабилан СЕИ филм;3) присуство јонских течности СЕИ филм је направљен проводљивијим и промовише пролаз литијум јона кроз СЕИ филм, као и брз пренос наелектрисања.Са слике 5 се може видети да је СЕИ филм формиран од електролитног система који садржи адитив стабилнији и чврсти, и да нема очигледних оштећења и пукотина након циклуса, а електролит и електрода даље реагују.Према ЕИС анализи (Слика 6), насупрот томе, системи електролита који садрже адитиве имају мањи РСЕИ и мањи РЦТ, што указује на мањи отпор литијум јони преко СЕИ мембране и бржа миграција од СЕИ до електроде.

Слика 5. СЕМ фотографија литијумске плоче након завршетка циклуса на -20 ° Ц (а, ц, д, ф) и -40 ° Ц (б, е): (а, б, ц) садржи адитиве;(д, е, ф) не садржи адитиве.

Слика 6. ЕИС тест на различитим температурама.

Чланак је објављен у међународно познатом часопису АЦС Апплиед Енерги Материалс.Главни посао је завршио др Ли Јанг, први аутор рада.